Tra gli addetti ai lavori, nessuno dubita che i Led siano la sorgente luminosa destinata a sostituire, in un futuro più o meno breve, ogni altra tecnologia di illuminazione; nelle abitazioni come negli uffici, per le insegne o per i fari delle automobili, nell'illuminazione pubblica e naturalmente nell'elettronica di consumo, questi dispositivi potranno offrire una luce migliore consumando meno energia e dissipando meno calore delle tradizionali lampade a incandescenza, alogene o fluorescenti, con l'ulteriore vantaggio di essere maggiormente ecologiche e con meno problemi di smaltimento al termine del ciclo di vita. Purtroppo però, le promesse di maggiore efficienza e durata non sembrano convincere completamente i consumatori: le lampade a Led sono ancora relativamente più costose delle normali lampade (da cinque a dieci volte e più) e le giustificazioni razionali della convenienza sul lungo termine si scontrano con la naturale tendenza degli acquirenti a pensare in termini di esborso immediato. Ecco dunque che, insieme alle iniziative a livello normativo per la progressiva sostituzione delle lampade a incandescenza, è necessario che anche la tecnologia delle sorgenti a stato solido faccia ulteriori passi avanti in modo da guadagnare spazio in nuovi mercati e di consolidarsi ulteriormente in quelli dove già viene apprezzata.
Le applicazioni illuminotecniche
Il primo obiettivo sarà conquistare spazio nelle applicazioni illuminotecniche da interni e da esterni, mentre ora il mercato principale è ancora quello della retroilluminazione per televisori e display e, quindi, uno dei principali problemi da risolvere è quello di proporre soluzioni di retrofit valide per i prodotti attualmente in uso. Il mercato dei prodotti high-tech può infatti essere anche capriccioso; a volte prodotti complessi e costosi (ad esempio i telefoni cellulari e i personal computer) riescono a conquistare grandi fasce di pubblico in tempi straordinariamente brevi, ma al prezzo di una altrettanto rapida obsolescenza generazionale, mentre in altri casi prodotti funzionali e utili impiegano molto tempo a emergere e questo può essere proprio il caso dei sistemi Led destinati a sostituire le lampade tradizionali. I problemi più classici sono quelli di riuscire a offrire la stessa resa del colore in maniera coerente e nel gestire la dissipazione del calore anche per sistemi di grandi dimensioni, e l'ingegnerizzazione delle soluzioni di illuminazione a stato solido richiede approcci innovativi. Spesso occorre abbinare ai Led qualche circuito integrato, dissipatori e magari un controller con relativo software, il tutto su un circuito stampato e ibrido: niente di impossibile da realizzare, ma comunque sicuramente diverso dalla comodità delle lampadine. In sostanza spesso si tratta di studiare un package ad hoc e quindi di innovare non solo la sorgente, ma anche i materiali, i processi e i sistemi a cui è abbinata.
La ricerca sulla luce
Per quanto riguarda il tipo di luce emessa, la ricerca si concentra sulla possibilità di realizzare sorgenti a stato solido in grado di coprire tutto lo spettro del visibile direttamente ovvero senza ricorrere alle tecniche attuali di conversione della lunghezza d'onda o di miscelazione dei colori. La conversione della lunghezza d'onda è la soluzione utilizzata in molti dispositivi attuali per ottenere il colore desiderato (e il bianco) ad esempio abbinando Led blu e fosfori gialli, Led blu e fosfori di vari colori oppure, Led che emettono nell'ultravioletto a fosfori rossi, verdi e blu.
In alternativa è anche possibile miscelare più Led in una lampada per creare luce bianca, ad esempio utilizzando due Led blu e giallo oppure tre Led, (rosso, blu, verde) o anche quattro (rosso, blu, verde e giallo). Ma la gestione circuitale diventa complessa e i costi elevati.
Di recente sono invece comparse alcune soluzioni intelligenti. Una è stata proposta dagli scienziati del National Renewable Energy Laboratory negli Stati Uniti che, lavorando per realizzare celle solari basate su nitruro di gallio e indio, si sono trovati ad affrontare il tipico problema della scarsa adesione tra gli strati cristallini che si creano al momento della deposizione dell'indio in fase vapore e gli strati sottostanti; la soluzione è stata quella di frapporre alcuni strati di materiale diverso prima della deposizione dell'indio, che hanno permesso di eliminare il mismatch tra i vari reticoli; il risultato è stato una cella perfettamente funzionante, senza impurità e senza fratture nel cristallo, in grado di assorbire il verde; ma a quel punto è stato immediato trasferire il concetto alla realizzazione di un Led in grado di emettere un perfetto verde brillante.
La scelta dei materiali è fondamentale anche per i costi; oggi gran parte della produzione industriale utilizza substrati di zaffiro o di carburo di silicio come base su cui far crescere i normali Led. La ricerca si è rivolta alla possibilità di usare invece i comuni wafer di silicio, analoghi a quelli utilizzati dai processi per i dispostivi a semiconduttori, consapevole che questo cambiamento da solo potrebbe produrre una diminuzione del 75% del costo dei prodotti finiti. Risultati promettenti sono stati ottenuti da Bridgelux, che ha di recente annunciato di avere realizzato un Led GaN su silicio con una potenza di 135 lumen per watt; in pratica si tratta del primo prodotto commerciale con substrato in silicio e il valore di flusso di 135 lumen è stato ottenuto con un Led da 1,5 mm funzionante a 350 mA, con una bassissima tensione di funzionamento, solo 2,9 V.
Una scoperta fatta presso il Politecnico Federale di Losanna in Svizzera, sembra invece aprire prospettive interessanti per strutture totalmente diverse da quelle attuali. I ricercatori del Laboratory of Nanoscale Electronics and Structures hanno dimostrato che la molibdenite (MoS2) è un eccellente semiconduttore grazie a un gap di 1,8 elettronvolt. La struttura bidimensionale del materiale, che tra l'altro è molto comune in natura, lo rende elettricamente molto più efficiente del silicio e ciò potrebbe consentire una riduzione dei consumi in stand-by di 100.000 volte rispetto ai transistor tradizionali. La possibilità di realizzare strati estremamente sottili apre interessanti prospettive all'utilizzo in Led e celle solari.
Il ruolo dell'elettronica
Ma il successo dei Led dipenderà, come detto, non solo dai materiali di base ma anche, o soprattutto, dalla capacità di gestire la conversione di potenza, il controllo elettronico, la gestione termica e ottica. I Led sono dispositivi a bassa tensione (da 2 a 4,5 V con valori che dipendono anche dal colore desiderato) e corrente regolata per garantire l'intensità richiesta; occorre quindi, ad esempio, trasformare la tensione di rete per alimentare lampade a Led. Inoltre esistono tutta una serie di protezioni e funzioni elettroniche che vengono normalmente offerte da chi produce driver o circuiti di pilotaggio. Vale la pena sottolineare però che questa accresciuta complessità circuitale potrebbe non essere necessariamente un ostacolo alla diffusione dei prodotti, anzi. In effetti la soluzione Led, proprio per la presenza immancabile di elettronica di controllo, si sposa molto bene con i progetti di rete gestita intelligente, la cosiddetta smart grid, che prenderà il posto in futuro della classica rete di distribuzione dell'energia elettrica. L'illuminazione Led è basata sul controllo digitale e quindi adeguarsi e dialogare con la rete non sarà particolarmente difficile; in più progettare soluzioni di illuminazione che sfruttino le fonti di energia alternativa (solare, eolico, geotermico, ecc) sarà più facile con i Led; già oggi esistono soluzioni che funzionano a 12, 24 o 48 Volt e permettono di aggirare l'esigenza di un inverter (e le relative dispersioni di potenza). A ostacolare la diffusione esponenziale dell'illuminazione a Led potrebbe anche essere un'alternativa con prestazioni migliori o costi inferiori, ma fino ad ora tale alternativa non si intravede all'orizzonte. Le lampade a fluorescenza sono molto migliorate negli ultimi anni sia in termini di durata che in termini di prezzo per l'utente finale, tuttavia soffrono sempre il fatto di dover dipendere dall'uso di sostanze altamente tossiche in produzione (come il mercurio). Altre applicazioni con quote marginali di mercato sono quelle delle lampade a scarica ad alta intensità. Si sente molto parlare anche di Oled cioè di Led organici, la al momento si tratta di dispositivi che trovano applicazione unicamente come sorgente di retroilluminazione per display e pannelli. Ci vorrà tempo prima che gli Oled raggiungano i livelli di luminosità necessari a proporsi come sorgente luminosa alternativa efficiente e di lunga durata per applicazioni diversificate.
Lo stato dell'arte
Un breve cenno alle proposte più recenti delle varie industrie che rappresentano il vero stato dell'arte della tecnologia; ad esempio la sorgente luminosa utilizzata da Altman Spectra per realizzare fondali luminosi o insegne murali utilizza una combinazione di sorgenti rosse, verdi , blu e ambra; l'aggiunta dei Led ambra permette di ottenere tonalità di colore più calde e profonde. Un esempio di proposta per l'illuminazione stradale viene invece da Osram con i moduli Led StreetLight Advanced che integrano oltre al Led la lente e il riflettore e che dichiarano una durata di oltre 50.000 ore con un indice Cri da 75 a 80. Peculiarità del modulo è la facilità di installazione e la disponibilità all'interno dell'apparato finale anche di un ulteriore zoccolo che consente una semplice sostituzione della parte lampada qualora venissero proposte nuove soluzioni. Mesh Rgb Traxon è invece una soluzione modulare a Led che unisce design e tecnologia con la possibilità di essere installato e utilizzato in qualsiasi spazio. Ogni unità Mesh Rgb si compone di otto elementi, collegati da giunti flessibili, che danno la possibilità di adattarsi alle varie superfici; ogni elemento prevede cinque strisce, con 32 Led ad alte prestazioni ciascuna per un totale di 160 punti controllabili individualmente attraverso DM o VI. Un esempio di sistema di controllo completo è invece il kit proposto da Texas Instruments, basato sul microcontrollore Piccolo e sulla piattaforma controlCard. La Mcu controlla lo stadio Dc-Dc e fino a otto stringhe di Led.
